綠肥新品種“茶肥1號(hào)”光合特性研究

傅海平，周品謙，包 強(qiáng)，周成建

(1.湖南省茶葉研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410125；2.湖南省安化縣土壤肥料工作站，湖南 安化 413500)

綠肥新品種茶肥1號(hào)(原名綠肥1號(hào))是湖南省茶葉研究所對(duì)野生豆科植物茳芒決明(Cassia sophera L.)進(jìn)行單株選育的綠肥品種。該品種屬于豆科、決明屬，為1年生亞灌木植物，偶數(shù)羽狀復(fù)葉，互生，長(zhǎng)橢圓形或長(zhǎng)卵形，先端急尖；花為黃色，倒卵形。茶肥1號(hào)具有產(chǎn)青量高，養(yǎng)分含量高，再生能力強(qiáng)，抗逆性強(qiáng)，果實(shí)不易裂莢等特點(diǎn)[1-3]。目前是茶園、果園推廣種植的主要綠肥品種，為茶園、果園綠肥的發(fā)展提供了品種保障。

光合作用是作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，植物干物質(zhì)的90%～95%來自作物的光合作用，提高葉片的光合性能是植物高產(chǎn)的重要途徑。綠肥品種茶肥1號(hào)產(chǎn)青量高(每畝產(chǎn)青量15 t以上)，且從7—8月是茶肥1號(hào)生長(zhǎng)高峰期[3]。鑒于此，本文以綠肥品種茶肥1號(hào)為研究對(duì)象，對(duì)其光合生理指標(biāo)和環(huán)境因子的日變化進(jìn)程進(jìn)行了研究，探討了其主要光合生理參數(shù)與各環(huán)境因子的關(guān)系，以及對(duì)其光合生理生態(tài)特征進(jìn)行了解，從而為其高產(chǎn)機(jī)理的探究及推廣栽培提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于湖南省長(zhǎng)沙縣金井鎮(zhèn)的湖南百里茶廊股份有限公司湘豐東西山(113°19′E，28°33′N，海拔135 m)，緩坡平地，土壤為花崗巖發(fā)育的紅壤。

1.2 試驗(yàn)材料

供試的品種為茶肥1號(hào)(由湖南省茶葉研究所選育)。于2016年4月18日，播種量為15 kg/hm2，播種方式為開溝條播，對(duì)茶肥1號(hào)進(jìn)行常規(guī)管理。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 光合作用日變化測(cè)定 利用Li-6400便攜式光合作用測(cè)定儀(美國(guó) Li-Cor 公司)，選擇主莖上倒數(shù)第6輪中著生角度基本一致且完全展開的健康小葉片(茶肥1號(hào)葉片為羽狀復(fù)葉)。于晴天08:00—18:00，采用自然光源，進(jìn)行光合特性測(cè)定。其間每隔 2 h測(cè)定1次，每次隨機(jī)選3株，每葉測(cè)定2次，取平均值。測(cè)定指標(biāo)包括凈光合速率(Pn，umol/(m2·s))、蒸騰速率(Tr，mmol/(m2·s))、氣孔導(dǎo)度(Gs，mol/(m2·s))、胞間二氧化碳濃(Ci，μmol/mol)、大氣溫度(Ta，℃)、光合有效輻射(PAR，μmol/(m2·s))、空氣CO2濃度(Ca，μmol/mol)、空氣溫度的水汽壓虧缺(VPDA)和空氣相對(duì)濕度(RH，%)等。計(jì)算葉片瞬時(shí)水分利用效率WUE=Pn/Tr，光能利用率(LUE)=Pn/PAR，瞬時(shí)羧化效率CE=Pn/Ci，氣孔限制值Ls=1-Ci/Ca。

1.3.2 光響應(yīng)測(cè)定 采用Li-6400光合儀自帶紅藍(lán)光源，CO2濃度為(400±5)μmol/mol，設(shè)定光強(qiáng)梯度從高到低依次為2 000，1 500，1 200，1 000，800，600，400，200，100，50，20，0 μmol/(m2·s)，自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，重復(fù)3次。用直角雙曲線修正模型(葉子飄等[4])擬合光響應(yīng)曲線，得到光響應(yīng)曲線的初始斜率(α)、飽和光強(qiáng)(Isat)、最大凈光合速率(Pnmax)、光補(bǔ)償點(diǎn)(Ic)和暗呼吸速率(Rd)。

1.3.3 CO2響應(yīng)測(cè)定 采用Li-6400光和儀自帶紅藍(lán)光源，光強(qiáng)為1 500 μmol/(m2·s)，采用內(nèi)置CO2鋼瓶提供CO2，CO2濃度設(shè)置為400，300，200，150，50，400，400，600，800，1 000，1 200，1 500，1 800，2 000 μmol/mol，自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，重復(fù)3次。用直角雙曲線修正模型(葉子飄等[4])擬合CO2響應(yīng)曲線，得到CO2響應(yīng)曲線的初始斜率(α)、CO2飽和點(diǎn)(Cisat)、CO2飽和時(shí)的凈光合速率(Amax)和光呼吸速率(Rp)。

1.3.4 數(shù)據(jù)分析 數(shù)據(jù)分析由SPSS 22.0和Excel 2003完成。通徑分析可以將各環(huán)境因子對(duì)茶肥1號(hào)光合作用的相關(guān)系數(shù)細(xì)分為直接和間接影響，然后確定每個(gè)因子對(duì)總體相關(guān)性的相對(duì)貢獻(xiàn)大小[5-7]。在本研究中，分別設(shè)定Pn、Tr及Gs為因變量，PAR、Gs、Ta、Ca和RH為自變量，各因子的直接通徑系數(shù)和間接通徑系數(shù)的計(jì)算參照文獻(xiàn)[7]的方法進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 綠肥新品種“茶肥1號(hào)”光合日變化

2.1.1 環(huán)境因子的日變化 在08:00—18:00期間，茶肥1號(hào)葉片光合有效輻射(PAR)的日變化為“單峰”曲線，其變化范圍為238.17～1 783.71 μmol/(m2·s)，從08:00開始逐漸增加，到12:00達(dá)到最大，其值為1 783.71 μmol/(m2·s)，隨后逐漸下降，18:00達(dá)到一天中的最低值，其值為238.17 μmol/(m2·s)(圖1)。大氣CO2濃度(Ca)呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì)，08:00為最大值，450.20 μmol/mol，至18:00達(dá)到最小值，即為391.51 μmol/mol(圖1)。

RH與Ta的日變化進(jìn)程規(guī)律相反?？諝庀鄬?duì)濕度(RH)呈逐漸下降趨勢(shì)，08:00為日變化最大值(56.01%)，18:00降至低點(diǎn)，為33.84%?？諝鉁囟?Ta)早晨08:00為全天最低，為36.58 ℃，隨著時(shí)間推移，整體呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，18:00達(dá)最大值(45.10 ℃)(圖2)。

圖1 光合有效輻射(PAR)和空氣CO2濃度的日變化Fig.1 Diurnal changes of PAR and Ca in Chafei No.1

圖2 空氣相對(duì)濕度(RH)和空氣溫度(Ta)的日變化Fig.2 Diurnal Changes of RH and Ta in Chafei No.1

2.1.2 光合生理參數(shù)的日變化 在觀測(cè)時(shí)段(08:00—18:00)內(nèi)，茶肥1號(hào)的Pn(圖3)和WUE(圖6)之間有相同的變化趨勢(shì)，日變化都為“單峰型”，08:00開始急劇上升，10:00達(dá)到全天最大值，其值分別為20.04 μmol/(m2·s)和2.40 μmol/mmol，隨后開始迅速降低，至18:00降至較低水平，其值為-1.36 μmol/(m2·s)和-0.23 μmol/mmol，Pn無(wú)“午休”現(xiàn)象。而茶肥1號(hào)Tr日變化趨勢(shì)呈典型的“雙峰”曲線，第一個(gè)峰值出現(xiàn)10:00(10.20 mmol/(m2·s))，在12：00出現(xiàn)低谷(7.27 mmol/(m2·s))，出現(xiàn)午間Tr降低現(xiàn)象；第2峰值出現(xiàn)在14:00(8.80 mmol/(m2·s))，此后Tr呈快速下降的變化趨勢(shì)。

胞間CO2濃度是葉片光合反應(yīng)的底物，其主要受氣孔導(dǎo)度、細(xì)胞呼吸作用和光合作用等因素的影響。圖4可看出，綠肥品種“茶肥1號(hào)”葉片Ci的日變化呈現(xiàn)先下降后上升的“U”型曲線，Ci最大值出現(xiàn)在18:00(385.22 μmol/(m2·s))，最小值出現(xiàn)在12:00(256.71 μmol/(m2·s))。茶肥1號(hào)的Ls日變化曲線與Ci的日變化曲線相反，呈現(xiàn)先上升后下降的倒“U”型曲線。其Ls最大值出現(xiàn)在12:00，其值為0.32，最小值出現(xiàn)在18:00，其值為0.014(圖4)。

Gs和LUE均呈現(xiàn)下降-上升-下降的趨勢(shì)，Gs在12:00到達(dá)第一低點(diǎn)，14:00之后便升高，隨著逐漸下降。LUE在14:00達(dá)第一低點(diǎn)，隨著上升，16:00達(dá)到高點(diǎn)后逐漸下降(圖5)。

圖3 茶肥1號(hào)Pn、Tr和VPDA日變化Fig.3 Diurnal changes of Pn Tr and VPDA in green manuare Chafei No.1

圖4 茶肥1號(hào)Ci和氣Ls的日變化Fig.4 Diurnal changes of Ci and Ls of green manuare Chafei No.1

圖5 茶肥1號(hào)Gs和LUE的日變化Fig.5 Diurnal changes of Gs and LUE of Chafei No.1

圖6 茶肥1號(hào)WUE和CE的日變化Fig.6 Diurnal changes of WUE and CE of Chafei No.1

2.2 綠肥新品種“茶肥1號(hào)”光響應(yīng)

從光合-光響應(yīng)曲線(圖7)可知，綠肥品種茶肥1號(hào)的光補(bǔ)償點(diǎn)為52.27 μmol/(m2·s)，光飽和點(diǎn)為1 947.06 μmol/(m2·s)，最大凈光合速率為30.88 μmol/(m2·s)，暗呼吸速率為2.69 μmol/(m2·s)。一般陽(yáng)性植物光補(bǔ)償點(diǎn)較高，為20 μmol/(m2·s)以上，光飽和點(diǎn)在1 000 μmol/(m2·s)以上。由此表明綠肥品種茶肥1號(hào)為陽(yáng)性植物。茶肥1號(hào)光合特性還表現(xiàn)為表觀量子效率高的特性，為0.053，即在弱光照條件下，茶肥1號(hào)仍可維持較高的凈光合速率，由此表明綠肥品種茶肥1號(hào)對(duì)光的利用范圍較廣。

α表示表觀光量子效率；Pmax表示最大凈光合速率；Isat表示飽和光照強(qiáng)度；Ic表示光補(bǔ)償點(diǎn)；Rd表示暗呼吸速率α,Pmax,Isat,Ic and Rd mean apparent quantum yield,maximum net photosynthesis rate,light saturation point,light compensation point and dark respiration rate圖7 綠肥品種“茶肥1號(hào)”的光響應(yīng)曲線Fig.7 Light response curve of photosynthesis for green manuare Chafei No.1

α表示羧化效率；Amax表示CO2飽和時(shí)的凈光合速率；Rp表示光呼吸速率α,Amax and Rp mean carboxylation efficiency,maximum net photosynthetic rate and photorespirationt rate圖8 綠肥品種“茶肥1號(hào)”CO2響應(yīng)曲線Fig.8 Intercellular CO2-response of photosynthesis for green manuare Chafei No.1

2.3 綠肥“茶肥1號(hào)”CO2響應(yīng)

Pn-Ci曲線反映了CO2對(duì)植株光合速率的影響，CO2補(bǔ)償點(diǎn)被用作選育高光效品種的指標(biāo)，CO2補(bǔ)償點(diǎn)低的植物一般具有凈光合速率高和產(chǎn)量高的特點(diǎn)[8]。由圖8可知，綠肥品種茶肥1號(hào)響應(yīng)曲線的初始羧化效率0.168 μmol/(m2·s)，光呼吸速率為13.67 mol/(m2·s)，CO2補(bǔ)償點(diǎn)93.35 mol/(m2·s)，CO2飽和點(diǎn)1 233.57 mol/(m2·s)，由此表明茶肥1號(hào)對(duì)CO2的利用效率高，即在低CO2條件下進(jìn)行光合作用，可滿足植株自身的要求，同時(shí)其較低的初始羧化效率，在低CO2濃度條件下有更高的凈光合速率，即可生產(chǎn)更多的光合產(chǎn)物，這是綠肥品種“茶肥1號(hào)”產(chǎn)青量高的重要因素之一。

2.4 綠肥茶肥1號(hào)光合指標(biāo)與環(huán)境因子相關(guān)分析

2.4.1 綠肥茶肥1號(hào)Pn與環(huán)境因子相關(guān)分析 茶肥1號(hào)凈光合速率與環(huán)境因子簡(jiǎn)單相關(guān)性分析(表1)表明，Pn與Ca、RH和PAR之間呈極顯著正相關(guān)，與Ta和VPDA呈極顯著負(fù)相關(guān)。

表1 茶肥1號(hào)光合參數(shù)間的相關(guān)性

*表示P<0.05；**表示P<0.01；***表示P<0.001，表2同

*,**,*** mean atP<0.05,P<0.01 andP<0.001 significant levels,repectively.The same as table 2

對(duì)茶肥1號(hào)凈光合速率與VPDA、Ta、Ca、RH和PAR5個(gè)環(huán)境因子進(jìn)行逐步回歸分析，得其回歸方程(表2)，方程中R2為0.919，F(xiàn)值為98.57，變量與自變量的相關(guān)性達(dá)極顯著水平，說明Pn與環(huán)境因子的關(guān)系可用回歸方程表示。對(duì)逐步回歸中選取的3個(gè)環(huán)境因子對(duì)Pn進(jìn)行通徑分析，其直接通經(jīng)系數(shù)的由大到小依次為VPDA、PAR、Ta、PAR和Ta對(duì)凈光合速率的作用為正向，但Ta通過VPDA、PAR產(chǎn)生較大的負(fù)向間接作用，導(dǎo)致Ta與Pn呈極顯著負(fù)相關(guān)。而VPDA對(duì)凈光合速率較大的負(fù)向直接作用，其通過Ta對(duì)Pn產(chǎn)生較大正向間接作用，但因其直接作用(-1.136)為負(fù)向且遠(yuǎn)大于這些間接作用，所以其與Pn仍呈極顯著負(fù)相關(guān)。Pn的決策系數(shù)從大到小依次為VPDA、PAR和Ta，其中Ta的R2(Ta)小于0。由此可知，VPDA和PAR為茶肥1號(hào)葉片Pn的主要決定因子，Ta為主要限制因子。

表2 環(huán)境因子對(duì)綠肥品種“茶肥1號(hào)”Pn影響的通徑分析

2.4.2 綠肥茶肥1號(hào)蒸騰速率與環(huán)境因子相關(guān)性分析 茶肥1號(hào)蒸騰速率與環(huán)境因子簡(jiǎn)單相關(guān)性分析結(jié)果(表1)表明：茶肥1號(hào)Tr與PAR呈極著正相關(guān)，與VPDA呈極顯著負(fù)相關(guān)，與Ta、Ca和RH相關(guān)性不顯著。

以環(huán)境因子VPDA、Ta、Ca、RH和PAR與Tr進(jìn)行逐步多元回歸分析，回歸結(jié)果見表3。由表4可知其回歸方程為：Tr=-16.403-5.192VPDA+1.061Ta-0.432RH+0.001 57PAR+0.036 6Ca，R2為0.972，說明茶肥1號(hào)蒸騰速率日變化97.2%是由環(huán)境因子的日變化造成的，變量與自變量的相關(guān)性呈極顯著水平，說明這一方程具有較強(qiáng)的生物學(xué)意義。

對(duì)逐步回歸中選取的環(huán)境因子對(duì)Tr進(jìn)行通徑分析結(jié)果(表3)表明，茶肥1號(hào)蒸騰速率日變化受VPDA的直接影響最大，其次是RH、Ta、PAR和Ca，直接作用最大的VPDA雖然通過Ta、RH的間接作用均為正向，但因其直接作用(-2.585)為負(fù)向且遠(yuǎn)大于這些間接作用，所以其與Tr仍呈極顯著負(fù)相關(guān)。而直接作用較大的Ta通過VPDA、Ca的間接作用為較大的負(fù)向值(-2.355和-0.3)，導(dǎo)致其與Tr呈不顯著的負(fù)相關(guān)。而RH對(duì)Tr為較大的負(fù)向直接作用，而其通過VPDA、Ca、PAR的間接作用為較大的正向作用，導(dǎo)致其與Tr呈不顯著正相關(guān)。從逐步回歸中選出的3個(gè)環(huán)境因子對(duì)茶肥1號(hào)Tr的決策系數(shù)R2由大到小依次為PAR、Ca、Ta、RH和VPDA，其中Ta、RH和VPDA的決策系數(shù)小于0，由此可見，PAR為茶肥1號(hào)葉片的主要決策因子，VPDA、RH和Ta為主要限制性因子。

表3 環(huán)境因子對(duì)綠肥品種“茶肥1號(hào)”Tr影響的通徑分析

2.4.3 綠肥茶肥1號(hào)氣孔導(dǎo)度與環(huán)境因子相關(guān)性分析 對(duì)茶肥1號(hào)氣孔導(dǎo)度和環(huán)境因子進(jìn)行簡(jiǎn)單相關(guān)性分析，結(jié)果見表1。從表1可知，Gs與Ca、RH呈極顯著正相關(guān)，與Ta、VPDA呈極顯著負(fù)相關(guān)，與PAR相關(guān)性不顯著。

以環(huán)境因子VPDA、Ta、Ca、RH、PAR和Gs進(jìn)行逐步多元回歸分析，回歸結(jié)果見表4，其回歸方程為：Gs=-2.123-0.331VPDA+0.041Ta-0.031RH+0.008Ca，F(xiàn)=93.76，P≈0<0.01，變量與自變量的相關(guān)性達(dá)極顯著水平，說明光合指標(biāo)Gs與5個(gè)環(huán)境因子的關(guān)系可用此方程表示。從回歸方程可以看出，影響Gs日變化的主要因子為VPDA、Ta、RH和Ca。

對(duì)逐步回歸中選取的環(huán)境因子對(duì)Gs進(jìn)行通徑分析結(jié)果(表4)表明，茶肥1號(hào)Gs直接通經(jīng)系數(shù)由大到小依次為VPDA、RH、Ca和Ta,VPDA通過RH、Ta具有較大正向間接作用，但因其直接作用(-1.634)和通過Ca的間接作用為負(fù)向且遠(yuǎn)大于這些間接作用，所以其與Gs仍呈極顯著負(fù)相關(guān)。Ta對(duì)Gs的直接作用為正向，但其通過VPDA、Ca對(duì)Gs產(chǎn)生較大的負(fù)向作用，導(dǎo)致其與Gs呈極顯著負(fù)相關(guān)。而RH對(duì)Gs的直接作用為負(fù)向，但其通過VPDA、Ca對(duì)Gs產(chǎn)生較大的正向間接作用，導(dǎo)致其與Gs呈極顯著正相關(guān)。從逐步回歸中選出的4個(gè)環(huán)境因子對(duì)茶肥1號(hào)Gs的決策系數(shù)排序由大到小依次為Ca、VPDA、Ta和RH，其中Ta、RH的決策系數(shù)小于0。由此可見，茶肥1號(hào)葉片Gs的主要決策因子為Ca和VPDA，主要限制因子為RH和Ta。

表4 環(huán)境因子對(duì)綠肥品種“茶肥1號(hào)“Gs影響的通徑分析

3 結(jié) 論

茶肥1號(hào)凈光合速率日變化呈單峰曲線，10:00時(shí)達(dá)到最大值，，隨著時(shí)間的推移，其凈光合速率逐漸下降，18:00時(shí)達(dá)到最低值。影響其的主要環(huán)境因子為VPDA、Ta和PAR，其中VPDA和PAR為主要決策因子，Ta為主要限制因子。因此，茶肥1號(hào)中午光合速率的下降，主要是由于高溫、空氣濕度的降低，導(dǎo)致水汽壓虧缺所致。

植物的光飽和點(diǎn)和光補(bǔ)償點(diǎn)反應(yīng)植物對(duì)光環(huán)境的適應(yīng)性，光飽和點(diǎn)較高，光補(bǔ)償點(diǎn)較低的植物對(duì)光環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)，光適應(yīng)范圍較廣，反之則對(duì)光照的適應(yīng)性較弱，光適應(yīng)范圍較窄[9-11]。研究結(jié)果表明，茶肥1號(hào)的光飽和點(diǎn)較高，為1 947.06 μmol/(m2·s)，大于1 000 μmol/(m2·s)，而其光補(bǔ)償點(diǎn)為52.27 μmol/(m2·s)，低于100 μmol/(m2·s)，說明其利用強(qiáng)光的能力較強(qiáng)，且其光適應(yīng)范圍較廣，即表明茶肥1號(hào)在強(qiáng)光照射(7月)下不會(huì)出現(xiàn)光抑制，仍能維持正常的光合作用，這是決明屬綠肥產(chǎn)青量高的原因，也是在高光照的7月，綠肥品種茶肥1號(hào)生長(zhǎng)勢(shì)強(qiáng)，生長(zhǎng)量大的主要原因。

參考文獻(xiàn)：

這時(shí)候，我讓孩子們說說自己的感受。丁昱心說：“我心里感覺輕松了不少。”董陽(yáng)說：“我以為我的氣球會(huì)爆掉，結(jié)果比想象中的還小?！?/p>

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